垃圾焚燒發電廠SNCR投運后白煙分析

張輝

(深圳市能源環保有限公司，廣東 深圳 518048)

0 引言

選擇性非催化還原脫硝法(SNCR)是目前在運垃圾焚燒發電廠的主流脫硝技術。通過優化鍋爐燃燒參數控制SNCR，可以保證垃圾焚燒發電廠煙氣排放中氮氧化物(NOx)的排放滿足GB 18485—2014《生活垃圾焚燒污染控制標準》相關要求。隨著SNCR在垃圾焚燒發電廠應用的案例越來越多，經常有在其投運過程中出現煙囪冒“白煙”的案例。

1 垃圾焚燒發電的煙氣組分與污染物去除

因為城市生活垃圾來源非常復雜，對比傳統的燃煤或燃氣電廠而言，垃圾焚燒發電的煙氣組分也比較復雜。其煙氣含有的主要污染物有酸性氣體、煙塵、重金屬等，其中煙氣中的的酸性氣體主要由硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、氯化氫(HCl)組成。煙氣中的SOx、HCl可以通過傳統的半干法、干法或者濕法工藝去除，而煙氣中的NOx多通過選擇性非催化還原脫硝法(SNCR)去除。SNCR是指無催化劑的作用下，在適合脫硝反應的“溫度窗口”內噴入還原劑,將煙氣中的氮氧化物還原為無害的氮氣和水。該技術一般采用氨、尿素或氫氨酸等還原劑。還原劑只和煙氣中的NOx反應，一般不與氧反應。由于該工藝不用催化劑，因此必須在高溫區加入還原劑。還原劑噴入850～ 1 100 ℃的爐膛，迅速熱分解成NH3，與煙氣中的NOx反應生成N2和水。在實際運行過程中SNCR的反應效率多在40%～50%，勢必存在一定量的氨逃逸。

2 “白煙”形成原因

由于垃圾焚燒電廠煙氣中硫氧化物、氯濃度較高，且在SNCR工作過程中存在一定量的氨逃逸，易生成硫酸銨與氯化銨。對比兩者的物化特性，白煙更符合氯化銨的性質表現。

氯化銨(NH4Cl)煙氣中HCl來源于含氯的塑料。HCl在溫度低于120 ℃的區域，易與NH3發生化合反應，形成白色固體氯化銨飛霧，其反應機理如下：

因煙氣在整個煙氣凈化系統中的最低溫度也保持在140 ℃以上，所以只有當煙氣從煙囪出口排出與大氣接觸發生熱交換溫度降低時，氯化銨才會生成，形成白煙。

3 氨逃逸的測量及儀器

由于氯化銨的物化特性及垃圾焚燒電廠的工作條件，實驗無法直接對氯化銨進行測量。考慮到垃圾焚燒過程中氯離子的濃度相對比較穩定，可以通過氨逃逸激光光譜分析儀比對煙氣中氨的光譜變化，從而對煙氣中的氨濃度進行監控。氨逃逸激光光譜分析儀采用一種高分辨率的光譜吸收技術：激光穿過煙氣時，通過快速調制激光頻率并使其掃過被測的氨氣吸收譜線的定頻率范圍，然后采用相敏檢測技術測量被氣體吸收后透射譜線中的諧波分量來分析煙氣中氨氣情況(如圖1所示)。

實驗如果不考慮白煙問題， SNCR按照設計值運行，電廠NOx排放的質量濃度<200 mg/m3時，NOx轉化效率可以達到50%以上。此過程中由于噴入爐膛內的氨(NH3)在爐膛內與煙氣不能進行充分混合，造成NH3的相對過剩，而產生氨逃逸，最終在煙囪出口區域與煙氣中的氯離子形成氯化銨，生成白煙[1]。

經觀測，可以將白煙分為三個級別：極淡、淡煙、濃煙。從氨逃逸激光光譜分析儀檢測結果得出：極淡煙對應的氨逃逸質量濃度為<0.38 mg/m3；淡煙對應的氨逃逸質量濃度為0.38 mg/m3～0.76 mg/m3；濃煙對應的氨逃逸質量濃度為>0.76 mg/m3。

圖1 氨逃逸激光光譜分析儀工作原理

4 SNCR調節試驗

經試驗分析得出SNCR噴氨量受到鍋爐進風量和爐膛溫度制約，進風量、爐膛溫度不理想或發生突變且SNCR噴氨量不進行隨動調節時，煙囪就會有白煙產生。經試驗研究發現：當爐膛溫度低于850 ℃時，無論噴氨量如何調節都會有白煙生成，而且在此溫度下SNCR脫硝效果非常差；當溫度低于860 ℃， NOx的轉化效率小于50%(如圖2所示)[2]。

圖2 尿素、氨水對NOx轉化效率與溫度之間的關系

鍋爐工況可分為穩態工況和瞬態工況。穩態工況中鍋爐的風量、爐膛溫度、SNCR噴氨量、煙氣中NOx排放以及煙氣中氨逃逸的濃度相對穩定。試驗可以確定爐膛溫升幅度和風量增加幅度。根據CEMS(continuous emission monitoring system，煙氣在線分析系統)反饋的煙氣中NOx排放量結合SNCR的反應效率計算SNCR的噴氨量；通過氨逃逸分析儀測得的氨逃逸濃度，在保證NOx排放滿足標準(氨逃逸濃度<0.76 mg/m3)的情況下，確定鍋爐不同穩態工況下的SNCR控制策略；繪制爐膛溫升、風量以及SNCR噴氨量的三維等高線圖(MAP圖)；通過試驗驗證優化SNCR噴氨MAP圖，爭取使氨逃逸濃度<0.38 mg/m3。由于CEMS安裝在引風機之后的煙囪入口處，煙氣從鍋爐第一煙道至CEMS需要一段時間，為保證試驗數據的準確性，文中試驗規定的穩態工況至少要維持10 min。

由于試驗目前的技術條件無法分析鍋爐內部溫度場和流場的分布、變化情況，所以主要采用試驗驗證法研究鍋爐瞬態工況下鍋爐風量與爐膛溫度的關系：當鍋爐爐膛溫度較低，可以通過增加風量促進燃燒以提高爐膛溫度；當爐膛溫度過高，則可以通過降低風量抑制燃燒降低爐膛溫度(試驗未考慮溫度與風量出現背反關系的極端情況)。以風量為主要的研究因素可以將瞬態工況的變化分成比原穩態工況風量增加和降低兩個方向。而鍋爐進風量無論突然增加還是突然降低，都會擾亂SNCR反應區流場，造成SNCR反應時間變短或者單位體積內氨量的突然增加。瞬態工況下SNCR系統應采取保守噴氨的控制策略，同時研究風量隨時間及NOx排放的變化情況，確定SNCR噴氨量與風量變化之間的關系，對SNCR的噴氨策略進行優化。

因為煙氣中NOx排放與SNCR噴氨量及SNCR白煙存在背反關系，即要保證NOx低排放就要多噴氨，這勢必會增加白煙產生的幾率；若為了保證煙囪不冒白煙而少噴氨，電廠煙氣中的NOx就會有超標排放的可能。所以SNCR控制策略第一原則為在保證煙氣中NOx排放達標(質量分數小于250 mg/m3)的情況下，控制SNCR的噴氨量，從而抑制白煙的生成。

5 SNCR運行效果

通過試驗數據可以發現，在SNCR運行過程中NOx排放僅在極少數情況下瞬時值排放超過250 mg/m3。通過觀察可以發現，SNCR控制程序減白煙效果明顯，由原來的長時間排放濃煙(白煙排放時間占全天時間的70%～80%)，到現在絕大多數情況下無白煙(不可見)、偶爾排放淡煙并在極少數的極端情況下才會有濃煙排出(可見白煙排放時間占全天時間的5%～10%)。

試驗中發現氨逃逸數據在某些情況下急劇升高，經測算甚至高于該時刻爐膛內噴氨總值。經排查，部分原因為煙氣濕度大，部分水汽覆于儀器光電吸收端鏡頭片上形成霧滴，煙氣中的NH3溶解于霧滴中，導致激光穿過鏡頭的過程中對NH3生成錯誤數據；部分原因懷疑為垃圾中混有含NH3的物質在燃燒過程中釋放出來[3-4]。

在穩態工況下，電廠CEMS系統對SNCR系統有很好的反饋作用，可以有效地幫助SNCR確定噴氨量，從而抑制煙氣中的NOx排放量；在瞬態工況中由于煙氣從爐膛至CEMS需要一定的時間，CEMS反饋的NOx排放值信號對SNCR噴氨量的控制意義不大，建議瞬態工況過程中SNCR采用開環控制方式。同時，煙氣對氨逃逸儀器有明顯的腐蝕，在后續試驗過程中，試驗儀器的維護必須考慮。

6 結論

(1)垃圾焚燒廠煙氣中含有NOx，脫除NOx需要在爐膛噴入氨或者尿素，少部分氨未參與反應，逃逸后在后續煙道和煙氣凈化系統中被吸收，負荷變化時偶爾會有少量的氨通過煙囪進入大氣，一般進入大氣的氨質量濃度小于0.76 mg/m3。

(2)垃圾焚燒煙氣中氯的成分較多，在煙囪出口溫度低于120 ℃的區域逃逸的氨易與煙氣中的氯反應產生氯化銨，產生可見白煙。但產生的氯化銨濃度很小。

(3)在不考慮氨逃逸及白煙的情況下，SNCR運行可以保證脫硝效率≥50%，NOx排放量低于200 mg/m3。

(4)通過調試與長期的試運行，目前SNCR控制程序所執行的控制策略可以保證電廠煙氣中NOx排放滿足現行最新的國家標準(<250 mg/m3)的情況下，有效降低白煙的產生濃度和排放時間。